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【研究成果速递】PRB（Letter）：寻找Kitaev型量子自旋液体的候选材料

近日，理学院物理系杨柯副教授与合作者以 “Kitaev interaction and possible spin liquid state in CoI2 and Co2/3Mg1/3I2” 为题，在国际物理学期刊《Physical Review B》上以 Letter 形式发表研究成果。杨柯副教授为论文共同第一作者，复旦大学物理系吴骅教授为通讯作者。量子自旋液体是一类在极低温下仍不形成传统磁有序的强关联量子态，被认为可能承载分数量子激发和非阿贝尔任意子，在拓扑量子计算等前沿方向具有重要潜在应用价值。然而，在真实材料体系中，常规磁相互作用与几何阻挫效应往往不可避免，使得量子自旋液体的实验实现长期面临挑战。近年来，具有强自旋-轨道耦合和键依赖型相互作用的 Kitaev 模型被认为是实现该量子态的重要理论平台，引发了国际学界的广泛关注。在本研究中，作者以二维范德华磁体 CoI2为研究对象，综合运用第一性原理计算和多体理论分析方法，揭示了其磁相互作用的微观起源。研究发现，CoI2中的磁性离子在强自旋-轨道耦合条件下形成各向同性的 Jeff=1/2 基态，体系具有显著的键依赖型 Kitaev 相互作用，但第三近邻磁交换引入的几何阻挫最终导致螺旋反铁磁有序。进一步研究表明，通过对 Co 位点进行 Mg 的部分取代，可有效削弱几何阻挫效应，使体系显著逼近 Kitaev 量子自旋液体相区。该成果为设计和调控量子自旋液体候选材料提供了新的理论思路，也为探索新型量子物态奠定了重要基础。Co2/3Mg1/3I2的相图论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/c6r4-fgj5

2025-12-30
【研究成果速递】Nature Physics: 揭示了时间调制反宇称时间对称性

近日，上海理工大学理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心金鹏博士与合作者，在非厄米物理与扩散超构材料交叉方向取得新进展：提出并实验验证了“时间调制反宇称时间对称性”原理，首次在对流-扩散体系中实现温度波包的按需双向输运与定点俘获——既可随对流顺流而下，也可逆流而上，并可在任意目标位置精准锁定。相关研究成果以“Temporal anti-parity-time symmetry in diffusive transport”为题，于2025年12月10日发表于《Nature Physics》(https://doi.org/10.1038/s41567-025-03129-8)。上海理工大学理学院是该论文的第一完成单位。论文的通讯作者是黄吉平教授（复旦大学）、仇成伟教授（新加坡国立大学）。图：工程设计时间调制反宇称时间对称性。a, 传统反宇称时间对称性：抑制对流实现局域俘获，热波包随时间逐渐衰减。b, 时间调制反宇称时间对称性：在相同对流条件下可编程地顺流/逆流输运温度波包，并在任意位置锁定。c, 实验平台与时序协议：三同心旋转环与介质/速度的同步切换，深度学习预测最优切换时刻。以光场“夹住”并操控微粒、细胞和病毒的光镊技术曾两度摘得诺贝尔物理学奖（1997年、2018年），深刻塑造了人类对微观世界的操控方式。受此启发，课题组与合作者将“镊子操控颗粒”的理念推广为“镊子操控能量”的新路径，运用非厄米宇称时间/反宇称时间对称性的思想，将对能量与信息流的精细调控从波动体系拓展至扩散体系。尽管近年来扩散超构材料中已涌现出热局域、热拓扑态等重要进展，但大多仍停留于“静态范式”，即功能在设计阶段即被固化为特定相态，难以实现对能量在时间域内的主动抓取、拖拽与定点捕获。打破这一瓶颈的关键在于：能否将“相变何时发生”变成可编程的自由度，把非厄米控制从“设计空间结构”升级为“编排时空过程”。围绕这一核心问题，本工作提出“时间调制反宇称时间对称性”的新原理，将非厄米相变的触发时刻视作可直接“下达的命令”，通过在恰当时刻非绝热地切换材料属性与对流状态，精确跨越奇异点（EP点），从而把系统的输运历史写成可控的“时间脚本”。研究团队构建了可重构的“三环热超构材料”实验平台，采用“两个阶段、一个时刻”的时间协议：在起始的“输运阶段”，环一、环二、环三以相同的转速v运转（或，环一v；环二、环三-2v）。使环一上的温度波包可按需顺流推进（或，逆流而上）；当到达预设的切换时刻t时，系统同步执行材料与速度的双重切换——中间环的嵌入介质由空气瞬时替换为铜，第二环停止旋转、第三环反向至-v，而第一环保持旋转——使环间热交换率h跨越奇异点阈值（h > hEP），系统进入“俘获阶段”，温度波包在目标位置被锁定。为确定最优切换时刻，引入深度学习模型，以温度峰值的初始与目标位置为输入预测t，从而实现对温度波包在时空中的精准调度。由此，系统首次在对流-扩散体系中实现了“镊子式”的热操控：既能沿对流方向高效传输并定点俘获，也能逆对流方向实现反常输运并在任意位置稳固锁定。该研究将扩散体系中的非厄米物理从“静态相”拓展至“可编程的时空脚本”，以“能量镊子”的形式为按需能量管理提供了全新工具，展示了在智能热管理中的直接应用前景，有望在微电子与算力系统中将冷却能量主动引导至关键单元，在热电与可再生能源领域通过动态塑造温差场突破静态效率瓶颈。更重要的是，这一时间调制对称性范式提供了波与能量“四维（时空）控制”的通用蓝图，可望拓展至光、声与自旋等平台，实现光脉冲按需存储与释放、冲击波拦截以及自旋波的精确引导，推动超构材料设计从“空间中的静态响应”迈向“时间调制的动态演化”。

2025-12-12
【研究成果速递】Engineering：智能制造时代的厂级工业过程故障检测与诊断新视角

近日，理学院数学系李忘言副教授与澳大利亚新南威尔士大学化工学院Jie Bao教授合作，以“A new perspective on fault detection and diagnosis for plantwide systems in the era of smart process manufacturing”为题，在《Engineering》（影响因子11.6）发表研究成果[Engineering 52, 19-24 (2025)]。理学院李忘言副教授为论文的第一作者，论文通讯作者为Jie Bao教授。在化工、钢铁、铝冶炼等厂级工业过程系统中，子系统往往通过物料、拓扑网络紧密耦合。因此，一个不起眼的传感器或执行器失效、换热系统泄漏，都可能引起连锁的故障反应，进而造成经济损失甚至安全风险。另一方面，随着智能过程制造（Smart Process Manufacturing）系统（图1）的广泛应用，其在运行过程中会产生海量数据。然而，工业数据往往存在诸如故障、冗余和非线性等现象。传统的故障检测与诊断方法会频频失灵，不能胜任工业大数据时代的要求。如果从基于大数据方法的框架出发, 通常会借助支持向量机或自编码器等机器学习工具，然而这些工具往往难以捕捉厂级过程系统的真实动态特性。图1智能过程制造示意图本研究提出了一个新的思路：一个对厂级过程系统有效的基于数据的故障检测与诊断方法，并不在于数据集的 “规模” 有多大，而在于其 “信息含量” 有多高。通过来自于厂级工业过程系统的输入-输出数据轨迹，构建二次差分形式的供给率与存储函数，形成了(Ψ,Φ)-耗散性框架。该框架不需要依赖复杂模型，就能够精准捕捉系统动态特性。进而，通过对耗散性进行塑形，让系统对特定故障敏感，这为后续的故障检测与诊断提供了理论依据。具体而言，本研究设计了“离线塑形+在线评估”的两阶段策略。在离线阶段，研究者通过塑形耗散性从正常和故障数据中找出了专属耗散性条件，从而使得系统要么对任意故障敏感，实现故障检测，要么对特定故障具有选择性，以实现精准的故障诊断。而在线阶段只需实时计算耗散率，并与提前设置好的阈值进行比较，一旦突破阈值，就可以确定故障的发生。该方法仅通过耗散不等式检验就能实现基于数据的故障检测与诊断，因此工业实施成本较低。随着工业大数据爆发和智能传感网络普及，智能制造正从愿景走向现实。这套基于数据的厂级工业过程系统的故障检测与诊断方法，为如何有效利用工业大数据提供了一个新思路。它能提前预警异常工况，预防计划外停机，既降低经济损失，又减少安全与环境风险。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.08.006

2025-12-11
【研究成果速递】PRD: SU(3)规范场相干态聚峰性与重叠函数的半经典极限

近日，理学院物理系青年教师黄子鬯博士指导研究生张烨在理论物理领域取得进展，相关成果以“Semiclassical limit of gauge field coherent states: Peakedness and overlap functions”为题发表于《Physical Review D》（Phys. Rev. D 112, 124037 (2025)）。该工作系统构造了SU(3)规范群的微分同胚协变相干态，并验证了其半经典极限下的关键性质，为量子引力与Yang-Mills场耦合理论的有效动力学研究提供了新工具。在量子物理的研究中，相干态因其独特性质一直作为量子理论与经典理论的桥梁之一而存在。上世纪90年代初，Abhay Ashtekar等人通过将引力表述为SU(2)规范场论，奠定了圈量子引力的基础。基于此框架，构建规范场的微分同胚协变相干态成为了讨论量子引力理论的有效途径之一。2000年前后，Thomas Thiemann等人实现了SU(2)相干态的显式构造。以此为桥梁，2019年，韩慕辛等人进一步发展了圈量子引力的相干态路径积分形式，并通过鞍点分析引入了半经典有效动力学，为对宇宙大爆炸、黑洞动力学等问题的半经典动力学提供了新的思路。然而，在考虑引力与规范场耦合时，由于标准模型中的强相互作用由SU(3)规范群描述，必须将相干态构造推广至SU(3)情形。SU(3)群具有更高的秩和更复杂的表示理论，这一推广存在显著的技术挑战。本研究以热核复化方法（Heat Kernel）为基础，结合Weyl 特征标定理、渐进分析、马氏链蒙卡等一系列技术手段，构造了SU(3)微分同胚协变相干态，并证实其经典极限下的聚峰性与重叠函数具有预期的渐进行为。这为进一步讨论相干态路径积分中的鞍点近似奠定了基础。本工作突破了SU(3)群表示复杂性的技术难点，实现了相干态从SU(2)到SU(3)的关键推广，所构造的相干态为在量子引力框架下研究强相互作用的半经典效应奠定了基础。图：相干态峰位置MCMC采样结果论文链接：https://doi.org/10.1103/dpsm-4qyv

2025-12-11
【研究成果速递】TAC：一类非线性时滞系统的最优反馈控制

理学院数学系胡洪晓副教授与英国曼彻斯特大学丁正桃教授合作在非线性时滞系统的最优反馈控制方面取得进展。相关成果以“Optimal Feedback Control for a Class of Nonlinear Time-Delay Systems”为题，发表于控制领域期刊《IEEE Transactions on Automatic Control》[IEEE Trans. Autom. Control, 70, 5568-5575, 2025]。该研究针对具有时滞的非线性系统，提出了一套面向无限时域、适用于非线性—非二次型性能指标的最优控制设计框架，为复杂动态系统的稳定与优化控制提供了新的理论工具。上海理工大学理学院是论文第一完成单位。论文第一作者胡洪晓副教授，通讯作者丁正桃教授（曼彻斯特大学），合作作者还有周梓昕博士（南京航空航天大学）和徐利光副教授（上海理工大学光电学院）。时滞广泛存在于工程系统中，如网络控制系统、电力系统、生物化学过程等，其非线性与滞后特性使得传统控制方法难以适用。本研究围绕这一难题展开：团队提出了一种新的分析与设计策略，实现了对非线性时滞系统最优反馈控制器的构造。研究首先基于Lyapunov泛函方法，建立了非线性时滞系统的稳定性判据。作者进一步证明，该Lyapunov泛函正是相应泛函哈密顿—雅可比—贝尔曼（HJB）方程的解。基于此，论文给出了最优性充分条件，并提出了稳态形式的泛函HJB方程，确保所设计的控制器同时满足稳定性和最优性要求。该成果为解决复杂非线性时滞系统的最优控制问题提供了新的思路，对智能制造、自动驾驶、电力系统运行优化等工程领域具有潜在应用价值。理论在带回流的化学级联反应器方面的应用论文链接：https://doi.org/10.1109/TAC.2025.3552022

2025-12-05
【研究成果速递】JDE：揭示时间周期反应扩散方程在变截面通道中的传播机制

近日，理学院数学系教师李林林在应用数学领域取得进展，相关成果以“Time periodic reaction-diffusion equations in funnel-shaped domains”为题，发表于数学领域期刊Journal of Differential Equation。在自然界与工程实际中，许多系统的空间结构是非均匀的，并且系统中可能会存在随时间周期性变化的反应，该研究聚焦于一端为直圆柱、另一端为扩张圆锥的“漏斗形”域，能更真实地模拟许多物理、生物系统中物质的变化情况。本研究通过构造在时间周期与空间变截面的非均匀条件下的整体解，建立完全传播（Complete Propagation）与传播阻塞（Blocking）的判别准则：当漏斗入口（圆柱部分）半径R足够大，且扩张角α在一定范围内时，来自左侧的周期性波能够完全传播。而当漏斗入口半径R足够小，扩张角α非常大时，波会被阻塞。这些研究成果不仅具有理论价值，在其他应用领域也具有实际指导意义。例如在环境科学中，污染物或化学物质在变截面河道或地下水层中的扩散与反应过程，可借助该模型评估其在空间非均匀结构中的传播行为等。漏斗形区域的截面图论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022039625007090

2025-12-05

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